對應用工程力學理論實現施工技術方案優化的探討分析

景小青

工程力學的定理、定律和結論是解決工程問題的基礎，同時也為施工技術方案優化提供了科學的理論依據。本文應用工程力學相關理論知識對水利水電建筑工程施工技術方案的優化過程予以探討與分析，以期進一步提高施工企業技術方案的優化水平，確保工程項目施工技術方案的科學性、安全性與可操作性，合理提升經濟效益，同時為類似工程項目提供參考與借鑒。

應用;工程力學;技術方案優化

某水電站大壩泄洪底孔不但要承擔提前發電期內的汛期施工導流，而且要承擔降低庫水位及向下游供水的任務（庫水位降至EL.2339 m左右）;大壩臨時底孔的主要任務是承擔提前發電期內的汛期施工導流，后期將對其進行封堵。大壩臨時底孔與底孔的布置基本相同，均分為進口段、有壓段及弧形工作門墩段。進口底坎的高程為2320.0 m，進口處設置平板事故檢修門，孔口尺寸為4.0 m×9.0 m;工作弧門的底坎高程為2320.0 m，孔口尺寸為4.0 m×6.0 m。

大壩臨時底孔與底孔的孔身段均未設置鋼襯，但孔口部位設計有鋼襯，其流道長，深度大，而且頂板高度自上游至下游呈漸變形態。投標方案中，頂板擬采用273×12 mm、間排距1 m×3 m的鋼管柱支撐，鋼管柱間設置∠75×7的剪刀撐，鋼管柱頂部鋪設Ι25的水平梁、Ι28的找平梁及散裝鋼模板，共同形成鋼平臺。投標施工技術方案詳見圖1。

大壩底孔及臨時底孔流道總長為73 m，其邊墻凈跨距為4 m，頂板及邊墻均設計為鋼筋混凝土。沿流道跨距方向，頂板的鋼筋混凝土中設置有三層受力鋼筋，頂部為Φ28，底部為兩層Φ32，其平行間距均為20 cm，其豎向間距分別為30 cm、20 cm。

為確保大壩關鍵部位的施工工期，有效加快施工進度，利用工程力學相關知識，對大壩底孔及臨時底孔的流道頂板鋼筋混凝土的投標施工技術方案進行科學而細致的優化。特利用流道頂板鋼筋混凝土中的設計受力鋼筋與新增鋼筋形成桁架支撐系統，將流道頂板鋼筋混凝土的施工工藝改為吊模。施工技術方案優化詳見圖2。

以混凝土的最大澆筑高度為2 m、桁架下弦桿跨度為4.35 m、沿流道長為0.6 m，作為雙榀桁架支撐系統覆蓋范圍的計算單元，大壩流道側面剖視輪廓詳見圖3。

（1）現澆混凝土重量：以均布荷載計為=0.6 m×2 m×2500 kg/m×10 N/kg×1.25=37.5 kN/m（混凝土以2500 kg/m計，并考慮1.25的結構安全保證系數）

（2）桁架自重：單元校核總重量為649 kg，以均布荷載計為（已充分考慮架立鋼筋與鋼筋桁架中的上弦桿、下弦桿的連接強度，設計中的水平鋼筋需計入桁架自重，其重量包含設計鋼筋及鋼筋桁架中的上弦桿、下弦桿、腹桿及連接鋼筋）

（3）吊模材料自重：單元校核總重為368 kg，以均布荷載計為（包括螺帽、螺桿、鋼墊板、膠合板、散裝鋼模及鋼圍檁）

（4）施工人員及設備重量：單元校核重量為425 kg（以3人×75 kg/人+200 kg計），以均布荷載計為

（5）振搗混凝土所產生的動荷載：以均布荷載計為=5 kN/m×0.6 m=3 kN/m

（6）卸料產生的動荷載：

①動荷載分析：澆筑混凝土的過程中，已限定混凝土吊罐的最大卸料高度應控制在3m以內，經對混凝土吊罐卸料過程進行實際分析，既不考慮混凝土相互間的粘滯力，也不考慮吊罐與混凝土卸料口間的粘滯力，假設卸料只受重力作用。同時，混凝土料的下落過程可近似看作流體運動，其實際沖擊力相比于固體自由落體運動要小，混凝土料下落接觸受料面后即刻產生錐形堆積，迅速增大受力面積，并隨著混凝土料下落量的不斷增多，受料面單位面積內承受的動荷載將逐漸減小。

為確保方案優化后的受力結構有足夠的安全可靠性，特將混凝土料類似于流體運動的均勻下落過程轉化為混凝土柱自由落體運動予以計算（以卸料口為正投影面、高1.5 m的圓形柱，下落高度設定為3 m），混凝土吊罐卸料動力計算轉化詳見圖4。

首選A點為計算節點，假定N與N為拉力，并規定壓力為“–”、拉力為“+”，建立A點處的平衡方程：

①桁架支撐系統中，腹桿的最大內力為N=89.62 kN（如CD），為最大拉桿內力，采用=0.83 m（有效的計算長度）、28的鋼筋，依據軸心受力桿件的剛度計算公式，校驗如下：

因腹桿中所有拉桿選用材料相同、計算長度均相等，校核最大拉力所在桿滿足強度要求，故可知腹桿其余拉桿均滿足強度要求。

②桁架腹桿中壓桿（如AC）內力最大為N=88.93 kN，采用28、=0.83 m，則如下：

根據公式①求得=118.6<[] =150（壓桿容許長細比）;

根據公式②求得=114.5 N/mm<γ·f=184.5 N/mm。

因腹桿中所有壓桿選用材料相同、計算長度均相等，校核最大壓力所在桿滿足強度要求，故可知腹桿中其余壓桿均滿足強度要求。

根據已經求出腹桿中最大內力壓桿的長細比，應確定該腹桿（如AC）為大柔度壓桿還是小柔度壓桿，之后選用相應的壓桿穩定計算公式進行校核。

查表得Ⅰ級鋼筋（HPB235）強度設計值f=205 N/mm、彈性模量E=2.1×10N/mm，則壓桿柔度（長細比）臨界值λ：（公式③）

由于N=90.64kN>N=88.93 kN，因此，通過校核結果可知，桁架支撐系統中的最大內力腹桿（28壓桿）滿足壓桿穩定性的要求，故其它腹桿（28）均滿足壓桿穩定性的要求。

（2）校核弦桿。

①桁架支撐系統中的上弦桿與下弦桿的校驗單元均為熱軋帶肋鋼筋（Ⅱ級、=0.44 m的Φ32）。桁架支撐系統中的上弦桿受到的最大軸向壓力為N=129.46 kN（如KM桿），且各桿均為壓桿，則：

故桁架系統中的上弦桿的校核結果滿足穩定性的要求。

②因桁架支撐系統中的下弦桿均為拉桿，最大拉桿內力為N=126.82 kN（如JL），采用=0.44 m的Φ32鋼筋，據公式①得出=55<[]=150;又依據公式②得出=157.8 N/mm<γ·f=270 N/mm。

由校核計算結果可知，桁架支撐系統中的下弦桿的強度滿足要求。

（3）校核吊點螺桿。

吊點螺桿的最大內力為2P=38.4 kN，且均為受拉桿件，拉桿采用=0.464 m的20鋼筋，依據公式①得出=92.8<[] =250;依據公式②得出=122.3 N/mm<γ·f=184.5 N/mm，故吊點螺桿校核結果滿足強度要求。

桁架弦桿與腹桿的連接方式采用搭接雙面滿焊，搭接長度為20 cm，為保證足夠的搭接焊縫長度和強度，特將腹桿在弦桿兩側交錯焊接，兩腹桿拐頭與弦桿搭接相交部分（長度為5 cm）不施焊，避免焊接損傷弦桿母材，故單拐實際焊縫長度為30 cm（15 cm×2面），詳見圖6。

弦桿與腹桿鋼筋焊接以直角焊縫計算，得焊角尺寸h=23 mm，則焊角有效計算高度h=0.7h=16 mm;同時，為考慮焊縫的施工缺陷，有效計算長度l以實際焊縫長度的80%（即240mm）作為計算長度，查表得Q235鋼的焊縫強度設計值為160 N/mm，則根據以下公式得：

已求得桁架各桿內力最大值N=129.46 kN<max

吊模支撐系統主要由桁架受力弦桿、腹桿與垂直于桁架平面的剛性材料固接，形成整體空間框架結構，其實際強度及穩定性指標高于單榀平面桁架。因此，經校核計算可知，主壩臨時底孔與底孔的流道頂板大體積混凝土采用優化后的桁架支撐與吊模工藝，其承載力完全滿足強度及穩定性要求，優化方案科學、合理、可行。

因大壩底孔與臨時底孔的流道頂板混凝土由兩段坡面漸變段接續組成，鋼管柱漸變高度為6.1m-8.3m，需將型鋼運至施工現場，由纜機入倉，在已成型的大壩底孔與臨時底孔的流道底部，由大量工人加工成單榀支撐后，由倉面吊并全程配合人工進行吊裝。

①因施工現場的環境較復雜，且存在交叉作業，施工干擾大，鋼管柱支撐下料精度把控難度較大，無法保證施工質量，制安耗時。

②受力結構屬于被動支撐，且整體支撐結構較大，不僅拆模困難，而且對拆模前的混凝土強度有較高的要求。

鋼筋桁架支撐（）

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單榀鋼筋桁架的自重僅208.6kg，較單榀鋼管柱體積小、重量輕，且可在后方加工廠內批量制作，運至施工現場，采用纜機入倉至已成型的大壩底孔與臨時底孔的流道兩邊墻頂部，由倉面吊臨時輔助5名施工人員即可進行循環安裝。

①在加工廠內批量制作，不僅加工精度有保證，而且通過“三檢一驗”，有效保證了每榀鋼筋桁架的加工質量。

②施工現場安裝所需的人工與機械較少，施工成本與安裝工期可控。

③受力結構屬于主動支撐，整體支撐結構較小，不僅便于拆模，而且待混凝土強度達到70%時即可拆模，有效加快了施工進度。

針對某水電站大壩泄洪臨時底孔與底孔的流道頂板大體積混凝土施工技術，經充分應用工程力學的相關理論知識，及合理選材、科學校驗，最終采用優化后的鋼筋桁架支撐與吊模工藝，該工藝既實現了提質增效的目標，也充分體現了施工企業的實踐能力。在遵循國家標準規范、設計要求的前提下，實現了理論與實踐的有機結合，積極推陳出新，有效提升施工企業的整體技術水平，因此帶來可觀的經濟效益。

[1] 孫訓方，方孝淑，等著.材料力學（1）[M].第6版.北京：高等教育出版社，2019.

[2] 包頭鋼鐵設計研究總院、中國鋼結構協會房屋建筑鋼結構協會編著.鋼結構設計與計算[M].第2版.北京：機械工業出版社，2006.

（Sinohydro Engineering NO.4 Bureau Co.， Ltd.，? Xining Qinghai? 810007）

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application; engineering mechanics; technical solution optimization